Micrographies électroniques à balayage et à transmission du matériau de la cathode à différents grossissements. Ces images montrent que les sphères de 10 microns (a) peuvent être creuses et sont composées de nombreuses particules nanométriques plus petites (b). Des études chimiques de « empreintes digitales » ont révélé que le nickel réactif est préférentiellement situé à l'intérieur des parois des sphères, avec une couche protectrice riche en manganèse à l'extérieur. L'étude d'échantillons broyés avec des interfaces intactes entre les particules nanométriques (c) a révélé un léger décalage des atomes à ces interfaces qui crée effectivement des « autoroutes » pour que les ions lithium entrent et sortent pour atteindre le nickel réactif (d). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Construire une meilleure batterie est un équilibre délicat. L'augmentation des quantités de produits chimiques dont les réactions alimentent la batterie peut entraîner une instabilité. De la même manière, des particules plus petites peuvent améliorer la réactivité mais exposer davantage de matériaux à la dégradation. Maintenant, une équipe de scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), Laboratoire national Lawrence Berkeley, et SLAC National Accelerator Laboratory affirment avoir trouvé un moyen de trouver un équilibre en fabriquant une cathode de batterie avec une structure hiérarchique où le matériau réactif est abondant mais protégé.
Les batteries de test incorporant ce matériau de cathode ont montré un comportement amélioré de cyclage à haute tension, le type que vous voudriez pour les véhicules électriques à charge rapide et d'autres applications qui nécessitent un stockage de grande capacité. Les scientifiques décrivent les détails micro à nanométrique du matériau cathodique dans un article publié dans la revue Énergie naturelle 11 janvier 2016.
"Nos collègues de Berkeley Lab ont réussi à créer une structure de particules à deux niveaux de complexité où le matériau est assemblé de manière à se protéger de la dégradation, " a expliqué Huolin Xin, physicien du Brookhaven Lab et professeur adjoint adjoint à l'Université Stony Brook, qui a aidé à caractériser les détails à l'échelle nanométrique du matériau de la cathode au Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN).
L'imagerie aux rayons X réalisée par des scientifiques de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) au SLAC ainsi que la microscopie électronique de Xin au CFN ont révélé des particules sphériques du matériau de la cathode mesurant des millionièmes de mètre, ou microns, de diamètre composé de lots de plus petits, particules nanométriques à facettes empilées comme des briques dans un mur. Les techniques de caractérisation ont révélé des détails structurels et chimiques importants qui expliquent pourquoi ces particules fonctionnent si bien.
Le physicien du Brookhaven Lab, Huolin Xin, est devant un microscope électronique à transmission à balayage corrigé pour les aberrations au Center for Functional Nanomaterials. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
La navette lithium-ion
La chimie est au cœur de toutes les batteries rechargeables lithium-ion, qui alimentent les appareils électroniques portables et les voitures électriques en faisant circuler des ions lithium entre des électrodes positives et négatives baignées dans une solution d'électrolyte. Lorsque le lithium pénètre dans la cathode, les réactions chimiques génèrent des électrons qui peuvent être acheminés vers un circuit externe pour utilisation. La recharge nécessite un courant externe pour faire fonctionner les réactions en sens inverse, retirer les ions lithium de la cathode et les envoyer à l'anode.
Les métaux réactifs comme le nickel ont le potentiel de fabriquer d'excellents matériaux cathodiques, sauf qu'ils sont instables et ont tendance à subir des réactions secondaires destructrices avec l'électrolyte. Alors le Brookhaven, Berkeley, et l'équipe de la batterie du SLAC a expérimenté des moyens d'incorporer du nickel tout en le protégeant de ces réactions secondaires destructrices.
Ils ont pulvérisé une solution de lithium, nickel, manganèse, et du cobalt mélangé à un certain rapport à travers une buse d'atomiseur pour former de minuscules gouttelettes, qui s'est ensuite décomposé pour former une poudre. Le chauffage et le refroidissement répétés de la poudre ont déclenché la formation de minuscules particules nanométriques et l'auto-assemblage de ces particules dans la plus grande sphérique, parfois creux, structure.
En utilisant des rayons X au SSRL du SLAC, les scientifiques ont fait des "empreintes digitales" chimiques des structures à l'échelle du micron. La technique synchrotron, appelée spectroscopie à rayons X, a révélé que la surface extérieure des sphères était relativement pauvre en nickel et riche en manganèse non réactif, tandis que l'intérieur était riche en nickel.
« La couche de manganèse forme une barrière efficace, comme de la peinture sur un mur, protéger la structure interne des « briques » riches en nickel de l'électrolyte, " dit Xin.
Mais comment les ions lithium pouvaient-ils encore pénétrer dans le matériau pour réagir avec le nickel ? Découvrir, Le groupe de Xin au CFN a broyé les plus grosses particules pour former une poudre composée de touffes beaucoup plus petites de particules primaires à l'échelle nanométrique avec certaines des interfaces entre elles encore intactes.
« Ces échantillons montrent un petit sous-ensemble des briques qui forment le mur. Nous voulions voir comment les briques sont assemblées. Quel type de ciment ou de mortier les lie ? Sont-elles superposées régulièrement ou sont-elles orientées au hasard avec des espaces entre les deux ? " dit Xin.
Des détails à l'échelle nanométrique expliquent l'amélioration des performances
À l'aide d'un microscope électronique à transmission à balayage à correction d'aberration - un microscope électronique à transmission à balayage équipé d'une paire de "lunettes" pour améliorer sa vision - les scientifiques ont vu que les particules avaient des facettes, faces ou côtés plats comme les arêtes taillées d'un cristal, ce qui leur a permis de s'emballer étroitement pour former des interfaces cohérentes sans mortier ni ciment entre les briques. Mais il y avait un léger décalage entre les deux surfaces, les atomes d'un côté de l'interface étant très légèrement décalés par rapport aux atomes de la particule adjacente.
"L'emballage des atomes aux interfaces entre les minuscules particules est légèrement moins dense que le réseau parfait au sein de chaque particule individuelle, donc ces interfaces font essentiellement une autoroute pour que les ions lithium entrent et sortent, " dit Xin.
Comme de petites voitures intelligentes, les ions lithium peuvent se déplacer le long de ces autoroutes pour atteindre la structure intérieure du mur et réagir avec le nickel, mais des molécules d'électrolyte beaucoup plus grosses de la taille d'un camion ne peuvent pas entrer pour dégrader le matériau réactif.
À l'aide d'un outil de spectroscopie dans leur microscope, les scientifiques du CFN ont produit des empreintes chimiques à l'échelle nanométrique qui ont révélé qu'il y avait une certaine ségrégation du nickel et du manganèse même à l'échelle nanométrique, tout comme il y avait dans les structures à l'échelle du micron.
"Nous ne savons pas encore si cela est fonctionnellement significatif, mais nous pensons que cela pourrait être bénéfique et nous voulons étudier cela plus avant, " dit Xin. Par exemple, il a dit, peut-être que le matériau pourrait être fabriqué à l'échelle nanométrique pour avoir un squelette en manganèse pour stabiliser le plus réactif, poches riches en nickel moins stables.
"Cette combinaison pourrait vous donner une durée de vie plus longue pour la batterie ainsi que la capacité de charge plus élevée du nickel, " il a dit.
